基于狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的產(chǎn)品壽命預(yù)測與預(yù)測維護(hù)規(guī)劃方法研究.pdf

1、基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)是近來逐漸興起的研究課題，具有重要實用意義與經(jīng)濟(jì)價值。以基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)為背景，本文結(jié)合理論研究、仿真實驗、實驗研究，開展目前報道較少，但決定維護(hù)策略有效性的預(yù)測(prognostics)技術(shù)主要方法的研究。
　　 首先，本文開展兩類壽命預(yù)測方法的研究。
　　 以“基于相似性的壽命預(yù)測方法”為主題，開展兩項研究:1）提出一個泛化的相似性測度，據(jù)此相似性測度，衡量在役設(shè)備與參照設(shè)備間的相似性時，在役設(shè)備

2、當(dāng)前的狀態(tài)監(jiān)測變量較其過往的狀態(tài)監(jiān)測變量，權(quán)重更高;2）提出一個同時利用失效與非失效歷史樣本的基于相似性的剩余壽命預(yù)測框架，在此框架內(nèi)提出兩種估計未失效歷史樣本壽命，進(jìn)而利用其衰退過程信息的方案（記作方案A與方案B）。一項數(shù)值仿真實驗與一個基于SMT無鉛焊點(diǎn)隨機(jī)振動實驗的案例研究表明，采用泛化的相似性測度的基于相似性的壽命預(yù)測方法能給出統(tǒng)計意義上更精確的剩余壽命預(yù)測。一個系統(tǒng)的數(shù)值仿真實驗驗證了在存在有限失效歷史樣本與存在大量失效歷史樣

3、本的情況下，基于方案A的框架始終優(yōu)于對應(yīng)的傳統(tǒng)方法。此外，仿真實驗結(jié)果揭示基于方案B的框架在失效歷史樣本有限情況下并不有效，但隨著可獲得的失效歷史樣本增多其表現(xiàn)迅速提升。
　　 以“基于比例風(fēng)險模型的設(shè)備壽命預(yù)測”為主題，開展兩項研究:1）針對許多設(shè)備衰退過程可分為穩(wěn)態(tài)區(qū)間和非穩(wěn)態(tài)區(qū)間的事實，提出二區(qū)間比例風(fēng)險模型;2）針對經(jīng)典比例風(fēng)險模型只適用于不可修系統(tǒng)的事實，提出拓展比例風(fēng)險模型，用于接受“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)的可修系統(tǒng)的壽

4、命預(yù)測。數(shù)值仿真實驗的結(jié)果表明:1）對于衰退過程可分為穩(wěn)態(tài)區(qū)間和非穩(wěn)態(tài)區(qū)間的系統(tǒng)，在接近系統(tǒng)失效時，二區(qū)間比例風(fēng)險模型相對于傳統(tǒng)比例風(fēng)險模型，可給出統(tǒng)計意義上更精確、更可靠的剩余壽命預(yù)測;2)對于接受“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)的可修系統(tǒng)，在系統(tǒng)接受預(yù)防維護(hù)后并接近失效時，拓展比例風(fēng)險模型相對于傳統(tǒng)比例風(fēng)險模型，可給出統(tǒng)計意義上更精確、更可靠的剩余壽命預(yù)測。
　　 其次，本文開展三項設(shè)備預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的研究。
　　 相對于傳統(tǒng)

5、的“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)規(guī)劃模型，提出一個考慮“修復(fù)非新”預(yù)防維護(hù)的單部件系統(tǒng)預(yù)測維護(hù)(USPdM)規(guī)劃模型，對接受連續(xù)監(jiān)測的系統(tǒng)在線地計算、更新最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序?；阢@頭磨損實驗的案例研究表明，1）USPdM模型所建議的預(yù)防維護(hù)時序與系統(tǒng)的狀態(tài)變化情況相一致;2）USPdM模型能迅速反應(yīng)系統(tǒng)的快速衰退，并給出預(yù)防維護(hù)時序。
　　 實際中，將嚴(yán)重衰退的系統(tǒng)修復(fù)至一理想狀態(tài)往往比將輕微衰退的系統(tǒng)修復(fù)至同樣狀態(tài)花費(fèi)更多的時間?；谶@樣

6、的事實，提出一個考慮“衰退程度相關(guān)維修性”的單部件系統(tǒng)預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型。該模型中，預(yù)防維護(hù)的維修性與預(yù)防維護(hù)前系統(tǒng)所累積的衰退程度相關(guān)，并以新近提出的比例維護(hù)模型進(jìn)行建模。數(shù)值仿真實驗結(jié)果表明，對于一批預(yù)防維護(hù)維修性與系統(tǒng)累積衰退相關(guān)的系統(tǒng)，忽視這一效應(yīng)將導(dǎo)致次優(yōu)的預(yù)防維護(hù)時序。此外，仿真實驗的結(jié)果也表明考慮“衰退程度相關(guān)”維護(hù)性的預(yù)測維護(hù)策略對于相應(yīng)的預(yù)防維護(hù)策略的優(yōu)勢。
　　 提出一個預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的模塊化結(jié)構(gòu)。基于這種模

7、塊化得處理方式，將傳統(tǒng)的預(yù)防/基于狀態(tài)監(jiān)測的維護(hù)規(guī)劃模型與基于部件在線衰退指標(biāo)估計的失效概率相結(jié)合便可得到相應(yīng)的預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型，而兩者均已有大量研究成果?；陬A(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的模塊化結(jié)構(gòu)，給出了一個多部件串聯(lián)系統(tǒng)的預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型。而后，開展了一仿真實驗比較預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序與對應(yīng)的預(yù)防維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序的表現(xiàn)，并探究兩模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序的不同特性。算例的結(jié)果表明預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型中的最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序能更

8、有效地節(jié)省維護(hù)費(fèi)用并減少部件失效。算例的結(jié)果也突出了預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序針對個體、動態(tài)更新的特點(diǎn)，這與預(yù)防維護(hù)規(guī)劃模型中最優(yōu)預(yù)防維護(hù)時序適用全體、靜態(tài)不變的特點(diǎn)不同。
　　 而后，本文研究壽命預(yù)測方法與維護(hù)規(guī)劃模型的結(jié)合方案，兩者的結(jié)合方案文獻(xiàn)中未見報道。
　　 提出“統(tǒng)計規(guī)劃與個體提升(SPⅡ)”維護(hù)策略。SPⅡ維護(hù)策略同時汲取了1）傳統(tǒng)的預(yù)防維護(hù)策略能進(jìn)行長期規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)，和2）壽命預(yù)測方法能提升個體表現(xiàn)

9、的優(yōu)點(diǎn)。SPⅡ維護(hù)策略通過對一部分系統(tǒng)（而非全部系統(tǒng)）合理地使用預(yù)測維護(hù)技術(shù)（如:壽命預(yù)測方法），可以期望高于傳統(tǒng)預(yù)防維護(hù)策略的表現(xiàn)。而后者能首先提供一個基準(zhǔn)表現(xiàn)以在系統(tǒng)實際運(yùn)行或生產(chǎn)前實施長期規(guī)劃。
　　 提出一個結(jié)合壽命預(yù)測方法與預(yù)測維護(hù)規(guī)劃模型的維護(hù)框架。在該預(yù)測維護(hù)框架中，只有在壽命預(yù)測方法顯示系統(tǒng)已接近失效時才開始進(jìn)行維護(hù)規(guī)劃。提出一個壽命裕度參數(shù)以保證絕大多數(shù)系統(tǒng)在維護(hù)規(guī)劃開始前不失效?；诘湫碗S機(jī)衰退信號模型的仿真

10、實驗演示了該維護(hù)框架的執(zhí)行流程。在仿真實驗中，當(dāng)系統(tǒng)衰退過程噪聲水平較低時，與傳統(tǒng)的從系統(tǒng)開始運(yùn)行便開始維護(hù)規(guī)劃的預(yù)測維護(hù)框架相比，提出的維護(hù)框架在預(yù)防系統(tǒng)失效方面與前者表現(xiàn)非常相似，同時又能減少預(yù)防維護(hù)的次數(shù)，因而更具經(jīng)濟(jì)性。
　　 最后，本文開展兩項狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用案例研究。
　　 基于BGA封裝在隨機(jī)振動環(huán)境中的實測狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與事件數(shù)據(jù)，介紹了從衰退過程分析至確定預(yù)防維護(hù)時間的全過程，定量地比較了一個引入狀態(tài)監(jiān)

11、測技術(shù)的預(yù)防替換策略、一個傳統(tǒng)的基于BGA封裝全壽命周期長度分布的預(yù)防替換策略，以及一個預(yù)測維護(hù)策略。在此基礎(chǔ)上，分析了狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)帶來維護(hù)性能提升的原因。分析結(jié)果顯示，維護(hù)策略的表現(xiàn)與確定預(yù)防維護(hù)時間時對產(chǎn)品壽命預(yù)測的精確與可靠程度存在關(guān)聯(lián)。由于基于狀態(tài)變量的衰退模型給出了最精確、可靠的BGA封裝的壽命預(yù)測，預(yù)測維護(hù)策略的維護(hù)表現(xiàn)最優(yōu)。
　　 提出一種基于分布式遙測量的衛(wèi)星有效載荷在軌可靠性預(yù)計方案（包含了電路篩選，遙測量分類